[论文解读] Testing Effective Yukawa Couplings in Higgs Searches at the Tevatron and LHC

Emidio Gabrielli, B. Mele|arXiv (Cornell University)|May 14, 2010

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 82被引用 11

一句话总结

该论文提出了一种有效场论框架，其中费米子质量源于高于 v 的尺度 Λ > v 处的新物理，从而在电弱尺度产生辐射诱导的有效汤川耦合。研究表明，对于轻希格斯玻色子（mH < 150 GeV），H → γγ 和 WW/ZZ 衰变显著增强，而 H → b̄b 衰变可能成为主导或与 γγ 衰变相当，具体取决于 Λ 的大小。在大型强子对撞机（LHC）上，矢量玻色子融合（VBF）成为主导的希格斯玻色子产生模式，可在不同衰变道中对 Λ 提供强敏感度。

ABSTRACT

We explore the possibility that, while the Higgs mechanism provides masses to the weak-gauge bosons at the electroweak scale as in the standard model, fermion masses are generated by an unknown mechanism at a higher energy scale. At low energies, the standard model can then be regarded as an effective field theory, where fermion masses explicitly break the electroweak SU(2)_L imes U(1)_Y gauge symmetry. If \Lambda is the renormalization scale where the renormalized Yukawa couplings vanish, then at energies lower than \Lambda, effective Yukawa couplings will be radiatively induced by nonzero fermion masses. In this scenario, Higgs-boson decays into photons and weak gauge-bosons pairs are in general quite enhanced for a light Higgs. However, depending on \Lambda, a substantial decay rate into b \bar{b} can arise, that can be of the same order as, or larger than, the enhanced H o gamma gamma rate. A new framework for Higgs searches at hadron colliders is outlined, vector-boson fusion becoming the dominant production mechanism at the CERN LHC, with an important role also played by the WH/ZH associated production. A detailed analysis of the Higgs branching fractions and their implications in Higgs searches is provided, versus the energy scale \Lambda.

研究动机与目标

• 探索费米子质量在 Λ > v 的尺度上生成，而电弱对称性由 v ≈ 246 GeV 处的希格斯机制实现的场景。
• 利用跑动方程（RG）方法，研究在低于 Λ 的能量下，由辐射诱导的有效汤川耦合的唯象学后果。
• 评估在 Tevatron 和 LHC 上对希格斯玻色子的搜索对尺度 Λ 的敏感度，特别是通过增强的 H → γγ 和修改后的 H → b̄b 分支比。
• 识别在该有效汤川框架下，LHC 上的主导希格斯玻色子产生机制，尤其是 VBF 和 WH/ZH 产生过程。

提出的方法

• 将 Λ 定义为反常汤川耦合消失的重整化尺度，从而可利用跑动方程（RG）方程对 leading-log 修正项 log^n(Λ/mH) 进行重求和。
• 利用一阶圈图跑动方程，计算在电弱尺度下的有效汤川耦合，假设在 v 和 Λ 之间无显著新物理。
• 使用树图和圈图衰变公式计算希格斯玻色子的部分宽度，其中有效汤川耦合 Yf(mH) 由跑动方程推导得出。
• 在 √s = 7 TeV 和 14 TeV 的 LHC 上，分析通过矢量玻色子融合（VBF）、胶子融合（ggF）以及 WH/ZH 伴随产生过程的希格斯玻色子产生截面。
• 将分支比和信号强度与标准模型（SM）及无费米子耦合的希格斯玻色子（FP）场景进行比较，覆盖不同 mH 和 Λ 取值范围。
• 使用标准模型输入参数（如 mt = 171.3 GeV，αs(MZ) = 0.1172）的数值结果，计算各种衰变道的截面乘以分支比。

实验结果

研究问题

• RQ1 当费米子质量在 Λ > v 的尺度上生成时，由辐射诱导的有效汤川耦合如何改变希格斯玻色子的分支比？
• RQ2 尺度 Λ 对 LHC 上 H → γγ、H → WW/ZZ 和 H → b̄b 的相对衰变率有何影响？
• RQ3 与胶子融合相比，LHC 上的矢量玻色子融合（VBF）产生过程是否能对尺度 Λ 提供增强的敏感度？
• RQ4 当 Λ → mH 时，有效汤川模型如何在 SM 和无费米子耦合希格斯模型之间平滑插值？
• RQ5 基于现有的 Tevatron 和 LEP 数据，对 mH 和 Λ 的约束是什么？需要多大亮度才能实现发现？

主要发现

• 对于 mH < 150 GeV，由于顶夸克和 W 玻色子的圈图贡献，H → γγ 衰变率显著增强，尤其在 Λ 较大时更为明显。
• 当 Λ 较大时，由于辐射诱导的有效汤川耦合，H → b̄b 衰变率可能成为主导或与 H → γγ 相当。
• 在 LHC 上，对于 mH < 130–140 GeV，矢量玻色子融合（VBF）成为主导的希格斯玻色子产生模式，其信号与背景比优于胶子融合。
• 通过 VBF 产生的 H → γγ 的总截面乘以分支比在 Λ > 10^4 GeV 时可超过标准模型预测，尤其在 mH < 120 GeV 时更为显著。
• WH/ZH 伴随产生过程，特别是在 H → γγ 最终态中，对 Λ 具有强敏感度，当 Λ 较大时，信号强度超过标准模型预期。
• 在 Λ → mH 的极限下，该模型平滑地趋近于无费米子耦合希格斯模型，此时所有主导对数项均消失。